根際氧環境與鹽脅迫對小麥苗期形態和生理特性的影響

王可輝，武迪，王淑紅，師君慧，劉義國，李玲燕，郭衛衛，師長海

(1. 青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室/青島生物節水工程研究中心，山東青島 266109；2. 臨邑縣農業農村局，山東臨邑 251500)

小麥(Triticum aestivumL.)是我國重要的糧食作物，土壤鹽漬化是影響小麥產量的限制性因素之一[1]。 目前我國鹽漬土面積超一億公頃，山東省鹽漬土面積達5 925 hm2[2，3]。 鹽堿土中的Na＋、K＋等離子可以導致植物細胞缺水，使植物體內代謝活動失調[4，5]。 研究提高小麥耐鹽性的方法、創新小麥耐鹽栽培模式，對提高鹽堿地小麥產量具有重要意義。

土壤通氣性是影響植株生長的一項重要因素，良好的根系通氣性是減輕作物鹽害、保障作物正常生長不可或缺的條件之一[6]。 然而鹽堿地土壤大多為粘性土，土壤結構差、板結嚴重，導致植物根系缺氧[7]，鹽害與缺氧互作會加劇根系的脅迫程度。 傳統漫灌、畦灌會導致根區出現間歇性低氧脅迫問題，而化學除草代替人工鋤草又使這種缺氧脅迫一直持續到作物收獲，對作物根系代謝以及微生物活性造成不利影響，最終導致作物減產[8]。 1964 年，Savostin[9]首先確定了灌溉水增氧能有效地促進小麥生長，不僅能增加生物量，還能促進根系生長，根長較對照提高近50%。之后，在豇豆(Vigna unguiculataL. Walp)、番茄(Solanum lycopersicumL.)、辣椒(Capsicum annuumL.)等作物上的研究表明，利用灌溉來改變根際氧環境能顯著提高葉綠素含量，促進作物光合作用，從而達到提高作物產量的目的[10－13]。 利用曝氣增氧技術處理過的水進行灌溉能抑制鹽分在植株體內的運移與轉化，株高和葉綠素含量明顯增加，產量構成相關性狀指標得到有效提高，但對禾本科作物粒重影響不顯著[11]。

苗期耐鹽性關系著鹽堿地小麥成苗率和后期群體大小，對產量形成起關鍵作用。 改善根系氧環境是否能提高小麥苗期的耐鹽性尚未見報道。本試驗營造不同的根系氧環境，對比分析增氧對小麥苗期耐鹽性的影響，以期為鹽堿地小麥栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗以青島農業大學選育的青麥11 為材料，于2021 年12 月18 日—2022 年1 月14 日在青島農業大學恒溫恒濕培養室進行。 選取均勻一致的小麥種4℃處理48 h 后蒸餾水浸泡8 h，使其充分吸脹，之后次氯酸鈉消毒5 min，用蒸餾水沖洗干凈，培養皿中培養發芽。 3 d 后選擇長勢一致的幼苗移至漂浮水培板，恒溫恒濕培養(培養條件為:溫度(23.0±1)℃、相對濕度50%、光照強度1 800 lx)，每3 d 更換一次營養液(1/2 Hoagland)。

試驗設不充氣(CK，培養液含氧量5.05 mg/L)、通氣(AW，森森牌氣泵接細沙氣泡石，功率120 W，培養液含氧量6.19 mg/L)、曝氣(VAI，LP－MNB 微納米氣泡發生器，功率72 W，排氣量＞2.6 L/min，培養液含氧量6.12 mg/L)三種氧環境處理，其中通氣和曝氣處理統稱為充氣處理。 三葉一心期設置0、35、70 mmol/L 鹽脅迫(NaCl)處理濃度，共9 個處理(表1)，每處理重復5 次。

表1 試驗處理

1.2 測定指標及方法

1.2.1 形態指標 鹽脅迫處理后15 d 進行形態指標測定。 葉面積:選取每株最新完全展開葉，用臺式葉面積儀(美國，CID， LI－3000C)測定。

葉干重及葉片水分飽和虧(water saturation deficit，WSD):取全株葉片稱重(mf)，再將葉片置于4℃條件下50 mL 蒸餾水中24 h，稱葉片飽和重(mt)，然后75℃烘干至恒重(md)。 WSD(%)＝(mt－mf)/(mt－md) ×100，md為葉干重。

株高及根干重:取10 株小麥苗測量株高。 將根從盾片處剪下，置于75℃烘箱中烘干至恒重稱取根干重。

根表型指標:將根從盾片處剪斷，用根系掃描儀(美國，REGENTINS TRUMENTSINC， LA-2400)掃描測量根表面積和根長。

1.2.2 葉片鹽分指標 鹽脅迫處理后3、7、15 d取最新完全展開葉混剪后稱取0.50 g 放入試管并加蒸餾水10 mL，室溫水浴振蕩1 h，靜置24 h，用電導率儀(上海儀電科學儀器有限公司，DDSJ－308A)測定葉片電導率、總溶解性固體(total dissolved solids， TDS)和鹽度。

1.2.3 小麥葉片光合指標 葉綠素熒光:鹽脅迫處理后15 d，并暗處理1 h 后，每處理選取9 株小麥的最新完全展開葉，每片葉取3 個點，用葉綠素熒光成像系統(德國，WALZ 公司，IMAGINGPAM)測定最小熒光值(Fo)、最大熒光值(Fm)、暗適應下最大光化學效率(Fv/Fm)。

1.2.4 小麥葉片生理指標 鹽脅迫后15 d 選取均勻一致最新完全展開葉，液氮冷凍后轉移保存到－80℃超低溫冰箱。

可溶性糖測定采用蒽酮比色法，脯氨酸(Pro) 含量測定采用磺基水楊酸法，丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法[14]。

1.3 數據統計與分析

使用Microsoft Excel 2016 進行數據整理，DPS 7.05 軟件進行方差分析，Duncan’s 新復極差法進行多重比較(P＜0.05)，使用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期地上部生長的影響

由圖1 可知，小麥株高、葉面積和葉干重均隨鹽濃度增加而降低。 各鹽濃度下AW 處理的株高均顯著高于CK 和VAI；0、70 mmol/L 鹽濃度下VAI 處理的株高與CK 間差異不顯著，35 mmol/L鹽濃度處理下二者差異顯著(圖1A)。

圖1 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期株高(A)、葉面積(B)和葉干重(C)的影響

由圖1B 可知，0、35 mmol/L 鹽濃度下AW0、VAI0 和AW35、VAI35 處理的葉面積分別較CK0和CK35 顯著增加91. 2%、99. 2% 和60.5%、26.1%；35、70 mmol/L 鹽濃度下，各處理的葉面積均表現為AW＞VAI＞CK，35 mmol/L 鹽濃度條件下AW 和VAI 處理間差異顯著，70 mmol/L 鹽濃度下各處理間差異不顯著。

由圖1C 可知，各鹽濃度處理下小麥葉片干重均表現為AW＞VAI＞CK，且同一鹽濃度下不同處理間差異顯著。 其中，AW0 和VAI0 處理的葉干重較CK0 分別升高283.0%、71.3%；AW35、VAI35 處理的葉干重較CK35 分別升高336.6%、29.5%；AW70、VAI70 處理的葉干重較CK70 分別升高257.0%、76.4%。

2.2 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期根系生長的影響

由表2 看出，同一氧環境下小麥根干物質量隨鹽濃度增加而降低。 相同鹽濃度下，根干物質量、根表面積、根長均表現為AW＞VAI＞CK。 其中，35、70 mmol/L 鹽濃度下，AW 和VAI 處理的根干物質量均顯著高于CK；AW0 的根干物質量顯著高于CK0 和AVI0。 0、35 mmol/L 鹽濃度下，AW 和VAI 處理的根表面積均顯著高于CK，AW70 處理的根表面積分別較CK70 和VAI70 顯著提高24.7%和23.0%。 三種鹽濃度脅迫下，小麥苗期根長均表現為AW＞VAI＞CK，且相同氧環境下處理間差異顯著。

表2 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期根系形態的影響

2.3 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片水分生理特性的影響

2.3.1 對鹽脅迫下小麥葉片WSD、含鹽量的影響

由表3 可知，小麥葉片WSD 值隨鹽濃度增大而增加。 各鹽濃度下小麥葉片WSD 值表現為CK＞VAI＞AW。 0 mmol/L 鹽濃度下各處理間WSD 值無顯著差異；35 mmol/L 鹽濃度下AW35 和VAI35處理葉片WSD 值較CK35 分別顯著降低45.4%和40.9%；AW70 和VAI70 處理葉片WSD 值較CK70 分別顯著降低81.5%和44.6%。

表3 根際氧環境對鹽脅迫下(7 d)小麥葉片生理特性的影響

葉片電導率和TDS 含量均隨鹽濃度增大而增加。 0、35、70 mmol/L 鹽濃度下處理間電導率、TDS 含量均表現為AW＜VAI＜CK 的趨勢。 CK0葉片電導率顯著高于AW0，與VAI0 差異不顯著，CK0 葉片TDS 含量顯著高于AW0 和VAI0；35、70 mmol/L 鹽濃度下，AW、VAI 處理的葉片電導率、TDS 含量均顯著低于CK。

35 mmol/L 鹽濃度下，AW、VAI 處理的葉片鹽度較CK 均顯著降低50%；70 mmol/L 鹽濃度下，AW 處理的葉片鹽度較VAI 和CK 均顯著降低40%；0 mmol/L 鹽濃度下各處理間葉片鹽度無明顯差異。

2.3.2 對鹽脅迫下小麥葉片電導率動態的影響

葉片電導率隨鹽脅迫處理天數增加而增大(圖2)。 0 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 處理3～7 d的電導率增幅分別為92.1%、56.7%、92.0%；3～15 d 的電導率增幅分別為306.8%、228.0%、228.4%。35 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 處理3 ～7 d 的電導率增幅分別為117.3%、93.37%、90.4%；3～15 d的電導率增幅分別為592.2%、392.0%、591.7%。 70 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 處理3 ～7 d 的電導率增幅分別為116.1%、119.5%、115.7%；3 ～15 d 的電導率增幅分別為952.5%、623.3%、965.0%。

圖2 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片電導率動態的影響

2.4 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片衰老生理特性的影響

不同鹽濃度下小麥葉片可溶性糖含量變化不大(圖3A)。 0、70 mmol/L 鹽濃度下各充氣處理與對照葉片可溶性糖含量無顯著差異，35 mmol/L鹽濃度下VAI 處理的可溶性糖含量較CK 和AW分別顯著增加5.5%、14.3%。

圖3 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片衰老生理指標的影響

小麥葉片Pro 含量總體隨鹽濃度升高而增加(圖3B)。 0 mmol/L 鹽濃度下AW 處理的葉片Pro 含量顯著低于CK；35 mmol/L 鹽濃度下AW、VAI 處理的葉片Pro 含量較CK 分別顯著降低10.5%、8.4%。

MDA 的過度積累會對細胞膜造成損傷[26]。葉片MDA 含量隨鹽濃度升高而增加(圖3C)。各鹽濃度下不同充氣處理小麥葉片MDA 含量均表現為AW＜VAI＜CK。 0、35、70 mmol/L 鹽濃度下AW 處理葉片MDA 含量較CK 分別顯著降低46.2%、63.3%、50.9%。

2.5 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片光合指標的影響

2.5.1 對鹽脅迫下葉片葉綠素熒光參數的影響

小麥葉片最小熒光值隨鹽濃度的增加而增大(圖4A)。 各鹽濃度下不同處理小麥葉片Fo 值均表現為AW＜VAI＜CK。 AW35 處理葉片Fo 值顯著小于CK35 和VAI35，70 mmol/L 鹽濃度下葉片Fo 值各處理間差異顯著，AW 和VAI 處理較CK分別顯著降低48.7%、21.9%。

圖4 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片葉綠素熒光參數的影響

小麥葉片最大熒光值(圖4B)、暗適應下最大光化學效率(圖4C)總體隨鹽濃度增加而降低。各鹽濃度下小麥葉片Fm、Fv/Fm 均表現為AW＞VAI＞CK。 三種鹽濃度下AW 處理小麥葉片Fm值較CK 分別顯著升高33.8%、23.6%和26.2%。0 mmol/L 鹽濃度下AW 和VAI 處理的Fv/Fm 分別較CK 高24.4%、19.9%，且差異顯著；35 mmol/L 鹽濃度下Fv/Fm 各處理間差異顯著，AW 和VAI 處理較CK 分別高72.1%和52.1%；70 mmol/L 鹽濃度下AW 處理的Fv/Fm 較CK 和VAI 處理分別顯著提高180.1%、118.3%。

2.5.2 對鹽脅迫下葉片葉綠素熒光成像的影響

隨鹽濃度增加，葉片Fv/Fm 熒光成像偽彩色圖表現出藍—綠—黃的狀態(圖5，色彩對照圖越往右側Fv/Fm 值越大)。 其中，不充氣處理下，隨鹽濃度增加表現出明顯的藍—綠—綠＋黃的狀態；AW 氧環境下，三種鹽濃度下無顯著的顏色變化，僅在70 mmol/L 鹽濃度下葉片出現一些與葉脈平行的綠色條帶；VAI 氧環境下，隨鹽濃度增加表現出明顯的深藍—淺藍—綠的變化趨勢。

圖5 根際氧環境對鹽脅迫下小麥苗期葉片Fv/Fm 熒光成像的影響

從不同鹽脅迫程度看，0 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 三種氧環境依次表現出淺藍、深藍、深藍的狀態，35 mmol/L 鹽濃度下依次表現出綠、深藍、淺藍的狀態，70 mmol/L 鹽濃度下依次表現出黃綠、深藍、綠的狀態。

3 討論

根系缺氧會導致植物根系、葉片生長受到抑制[15]。 作物形態特征變化也能直觀反映鹽害程度[16]。 小麥產量與植株干物質量在一定范圍內呈正相關關系[17]。 苗期適宜的葉面積指數、生物量等有利于后期籽粒灌漿和產量提高。 本研究中，各鹽脅迫水平下，營養液通氣處理的株高、葉面積高于曝氣處理和對照，表明通氣處理營造的氧環境提高了水培小麥的耐鹽能力。 根系作為小麥吸收營養和水分的主要器官，其生長狀況與產量關系密切[17]。 有研究表明，小麥生長發育受根重、根長、根毛數量等的影響非常明顯[18，19]。Zhao 等[20]的研究表明，經NaCl 處理的玉米種子，三分之二的植株根系發生帶狀鹽漬化，地上部重量卻幾乎沒有減輕或減輕很少。 本研究三種鹽濃度下，兩種充氣處理均提高小麥根長、根表面積，這可能是充氣處理提高小麥抗鹽脅迫能力的原因之一。 且充氣處理的根干物質量、根表面積、根長均顯著優于對照，表明充氣處理為鹽脅迫條件下小麥提供的氧環境更有利于其根系生長發育。

葉片水分飽和虧是實際含水量與飽和相對含水量的差值，是反映水分供應狀況的重要指標[21]，水分飽和虧越大，表示植物體內水分虧缺越嚴重，這會間接導致植物體內鹽分積累[22]。Hassen 等[23]的研究結果表明，鹽脅迫條件下提高根際環境氧含量，小麥幼苗葉片保水性顯著增強，推測這可能是維持麥苗各項生理代謝運行的基礎。 本研究中，所有鹽濃度下通氣處理的水分飽和虧均小于CK，說明營養液通氣營造的氧環境更有利于鹽脅迫下小麥葉片保持較好的水分狀態。

植物細胞質膜具有選擇透過性，細胞與外界環境之間發生的一切物質交換都必須通過質膜進行[24]。 鹽脅迫會導致質膜損傷，質膜透性增大，細胞內電解質外滲，電導率變大[25]，同時，質膜分解導致丙二醛積累[26，27]。 本研究中，隨著鹽濃度增加，葉片丙二醛、TDS 含量及電導率均呈升高趨勢。 較強鹽脅迫條件(70 mmol/L NaCl)下充氣處理(AW)的丙二醛含量、電導率和鹽度指標均低于曝氣處理和對照，說明充氣處理的小麥葉片受到的鹽脅迫相對較輕，這支持了本研究上述麥苗形態指標對鹽脅迫和根系氧環境響應的推測。

可溶性糖是植物體內合成其他有機溶劑的碳架和能量來源，對細胞膜和原生質膠體起穩定作用[28]。 一般情況下，植物體內游離脯氨酸、丙二醛含量很低，但遇到逆境脅迫時，游離脯氨酸[29]和丙二醛會大量積累[30]。 然而也有研究表明，隨著鹽濃度的增大，玉米葉片MDA 含量呈先上升后降低的變化趨勢[31]。 本研究中，隨著鹽濃度增加，兩個充氣處理葉片的Pro、可溶性糖和MDA含量均低于對照，且通氣處理(AW)小麥葉片Pro含量顯著低于CK，由此推斷，增加培養液溶氧量提高了小麥對鹽脅迫的適應性，且Pro 可能是本研究中麥苗響應鹽脅迫和根系氧環境變化的滲透調節物質。 另外，齊琪等[32]指出，在高Na＋濃度的環境中維持胞質中穩定的K＋濃度、增強自身保護酶活性是植物抵御鹽脅迫的重要措施。 本研究沒有開展小麥苗期葉片K＋和保護酶活性的分析，將在今后的根系增氧改善鈉鹽脅迫下小麥生長發育的研究中重點關注。

眾多研究表明，鹽脅迫會抑制光合作用，增加葉片初始熒光值、降低最大熒光值[33，34]。 本研究中，兩種氧環境水處理均降低葉片Fo 值，增加Fm值和Fv/Fm，葉片能保持較好的光合系統。 小麥葉片的熒光成像偽彩色圖像反映了不同處理下的Fv/Fm 狀態，更直觀地表現出提高鹽濃度均對幼苗產生不同程度的抑制作用，而所有充氣處理均能有效提高葉片光合性能，且通氣處理對小麥幼苗葉綠素熒光的促進作用高于曝氣處理，可有效提高鹽脅迫下葉片的光能轉化效率和電子傳遞速率。 在小麥種植過程中，通過農藝農機相結合，可以確保小麥的種植模式、種植效率及種植質量均有明顯提升，這對于加快農業發展速度有重要意義。 本試驗利用水培培養了解根際氧環境對NaCl 脅迫下小麥生理指標的影響，可為鹽堿地栽培中農機農藝結合提供理論參考。

4 結論

隨著鹽濃度增加，小麥幼苗形態指標受抑制情況加劇，而AW、VAI 根際氧環境處理對鹽脅迫下幼苗傷害有不同程度的緩解作用。 充氣處理可以通過促進根系伸長和根系表面積增加來促進小麥生長(葉面積、株高和葉干重)。 生理代謝方面，充氣處理能維持較好的葉片水生理環境，從而減輕葉細胞損傷，維持葉片光合作用順利進行。本試驗條件下，通氣處理(AW)緩解小麥鹽脅迫的效果更好。